JP7471955B2 - レーダ装置および信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーダ装置および信号処理方法に関する。

レーダ装置は、気象レーダ、監視用レーダなど、広く利用されている。レーダ波の送信周波数、パルス幅、パルス繰り返し周期、変調方式等の、いわゆる諸元は、レーダ装置の特徴を表す量として重要である。

ところで、電波資源の有効活用などの観点から、既存のレーダ装置で使用されている電波諸元を新規開発のレーダ装置でも共用したいというニーズがある。そこで、既存の送信源（漁船のレーダ、航空局のレーダ、気象レーダ等）の電波の諸元と近い諸元を持つ電波を送信することが試みられる。

国際公開第ＷＯ２０１８／１２２９００号公報 特開２００７－２７１５５９号公報 特開２０１５－１５５８０７号公報

諸元の近いレーダ波を受信すると、自らが送信した電波に由来する目標エコーとこれらの干渉波とを区別することが難しくなる。干渉波とは、自らが送信した電波に基づかない到来波を総称する用語であり、例えば他の送信源からの直接波、間接波などをいう。干渉波の影響が甚だしくなると、レーダとして目標を捉える性能が損なわれることから、対処が望まれる。

そこで、目的は、干渉波の影響を排除することの可能なレーダ装置および信号処理方法を提供することにある。

実施形態によれば、レーダ装置は、送信部と、受信部と、サブパルス検出と、抑圧部と、信号処理部とを具備する。送信部は、第１の諸元のメインパルスと第２の諸元のサブパルスとを既定の時間差で送信する。受信部は、到来波を受信する。サブパルス検出部は、到来波に含まれる複数の受信パルスからサブパルスを検出する。抑圧部は、検出されたサブパルスに基づいてメインパルスに由来するエコーを識別し、当該メインパルスに由来するエコー以外の成分を抑圧する。信号処理部は、識別されたエコーを処理してレーダ画像信号を生成する。

図１は、実施形態に係わるレーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係わるレーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。 図３は、レーダの送信期間および受信期間を示す模式図である。 図４は、干渉波による影響を説明するための図である。 図５は、実施形態の送信部１０１により送信されるレーダパルスの一例を示す図である。 図６は、サブパルス送信によりメインパルスによるエコーを識別できることを示す図である。 図７は、第２の実施形態に係わるレーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。

図１は、実施形態に係わるレーダ装置の基本構成の一例を示す機能ブロック図である。レーダ装置１００は、航空機、船舶などの移動体に搭載されることもできる。レーダ装置１００は、送信部１０１、サーキュレータ１０２、アンテナ１０３、受信部１０４、サブパルス検出部１０５、干渉抑圧部１０６、レーダ信号処理部１０７、記憶部１０８、および、表示部１０９を備える。

アンテナ１０３は、レーダ装置１００を搭載する移動体の外装などに取り付けられ、電波を送受信する。アンテナ１０３は、例えば、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を有するフェーズドアレイアンテナや、従来から広く採用されているパラボラアンテナ等である。

送信部１０１は、レーダ信号をサーキュレータ１０２経由でアンテナ１０３に送出する。アンテナ１０３は、送信部１０１からのレーダ信号を空間に放射し、目標からのエコーを捕捉する。エコーは、サーキュレータ１０２経由で受信部１０４に出力される。受信部１０４は、到来波を受信して受信信号に変換する。受信信号は、サブパルス検出部１０５に入力される。

ここで、送信部１０１は、メインパルスとこれに続くサブパルスとを、既定の時間差（Ｔｄとする）で送信する。つまりレーダ信号は、メインパルスとサブパルスとを含む。また、送信部１０１は、サブパルスを、メインパルスの諸元とは異なる諸元で送信する。メインパルスの諸元を第１の諸元と称し、サブパルスの諸元を第２の諸元と称することにする。

また、到来波は、メインパルスに由来するエコーを含むこともあれば、それ以外の信号を含む場合もある。電波資源の共用などの観点からメインパルスの諸元が既存のレーダ装置の諸元に近い場合、メインパルスに由来するエコーとそれ以外の成分とを区別することが難しい。実施形態ではこれらを明確に識別するための技術を開示する。

サブパルス検出部１０５は、到来波に含まれる複数の受信パルスから、サブパルスを検出する。すなわちサブパルス検出部１０５は、複数の受信パルスのうちから時間差Ｔｄをもって到来した２つのパルスを、それぞれメインパルスのエコーとサブパルスのエコーとして特定する。つまり２つのパルスのうち先行して受信されたパルスがメインパルスのエコーであり、これに時間差Ｔｄで続くエコーがサブパルスのエコーである。この区別は、メインパルスおよびサブパルスが互いに異なる諸元をもって送信され、しかも時間差Ｔｄを設定されているからこそ、可能になる。
干渉抑圧部１０６は、サブパルス検出部１０５の出力から、メインパルスに由来するエコー以外の成分を抑圧する。

レーダ信号処理部１０７は、干渉抑圧部１０６の出力、つまり、上記識別されたメインパルスのエコーを処理してレーダ画像信号を生成する。レーダ画像信号は表示部１０９に出力される。表示部１０９は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、あるいはＬＣＤ（Liquid Crystal Display）デバイス等であり、レーダ信号処理部１０７で得られた目標画像を表示する。

記憶部１０８は、レーダ信号処理部１０７の機能を実現するためのプログラムや各種のデータやパラメータなどを記憶する。記憶部１０８は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ、または、これらの複数が組み合わされたハイブリッド型記憶装置などにより実現される。

ここで、レーダ装置１００の機能は、例えば、記憶部１０８に記憶されたプログラムを、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などのプロセッサが実行することにより、実現される。レーダ装置１００の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよく、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって実現されてもよい。
次に、上記構成を基礎として複数の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態に係わるレーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。図２において、送信部１０１、受信部１０４、およびサブパルス検出部１０５は、それぞれ複数の周波数帯域を処理する機能（処理モジュール）を備える。すなわち、帯域ｆ０系、帯域ｆ１系、…、帯域ｆｎ系の、ｎ＋１個の処理モジュールを、送信部１０１、受信部１０４、およびサブパルス検出部１０５のそれぞれが備える。実施形態ではｎ≧１とし、つまり少なくとも２種類の帯域を用いる。

送信部１０１は、各帯域のパルスを時分割で送信する。目標を検出するための、パルス圧縮、ＭＴＩ（Moving Target Indicator）、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Ratio）等の信号処理は、レーダ信号処理部１０７を主体として各帯域ｆ０～ｆｎごとに実施される。
次に、上記構成における作用を説明する。説明を簡単にするため、以下では、送信系、受信系ともにｆ０系、ｆ１系の２つの系統を有するとする。

図３、図４を参照して、まず、従来のレーダにおける困難について述べる。図３に示されるように、パルス繰返し周期は送信期間と、それに続く受信期間とを含む。通常、レーダは送信期間に送信されたレーダパルスのエコーを、受信期間において受信する。ただし図４に示されるように、干渉波が混在しているケースでは、ｆ０受信系で処理されるエコーのうち、どれが自らの送信パルスに由来するのかが分からなくなる。

図５は、実施形態の送信部１０１により送信されるレーダパルスの一例を示す図である。送信部１０１は、メインパルスをｆ０で送信し、時間差Ｔｄ後にサブパルスをｆ１で送信する。受信部１０４は、ｆ０およびｆ１の、２種類の周波数帯域での同時受信機能を有する。

図６は、サブパルス送信によりメインパルスによるエコーを識別できることを示す図である。図６に示されるように、ｆ０系において、Ｓ／Ｎ改善処理などを経て、エコーの候補が抽出される。これが自らの送信によるエコーか、干渉波であるかどうかは、この時点では不明である。次に、ｆ１系でも同様に、ｆ１パルスに対するＳ／Ｎ改善処理を行う。

ｆ１系で信号（例えば（１））が存在すれば、これに時間差Ｔｄで先行するｆ０系のエコー（２）は、自らの送信によるエコーと見做すことができる。逆に、ｆ０系でエコー（３）があっても、ｆ１系に対をなすペアのエコー（遅延時間Ｔｄの位置のエコー）が無ければ、ｆ０系のエコー（３）は干渉波であると見做すことができる。つまり、時間差Ｔｄでペアになるｆ０パルス、ｆ１パルスは、いずれも自ら送信したパルスに由来すると見做すことができる。つまり図６におけるエコー（１）と（２）は、どちらも自ら送信したパルスに由来する。逆に、それ以外のエコー（３）を干渉波として、両者を明確に識別することが可能になる。

以上説明したようにこの実施形態では、既存のレーダと諸元を共用するメインパルスに対し、既定の時間差Ｔｄで、異なる諸元のサブパルスを送信する。受信期間において、異なる帯域で受信されたエコーから時間差Ｔｄのペアを見出し、先行するほうのエコーを、自ら送信したパルスに由来するエコーと見做して信号処理を行う。このようにしたので、干渉波と、自ら送信したレーダパルスのエコーとを明確に識別することができる。

既存のレーダと共通の諸元でレーダパルスを送信すると、他のレーダの送信波も直接受信したり、既存レーダの電波に反射した目標からのエコーも受信してしまうことになり、自他の電波によるエコーと区別できなくなるおそれがあった。これに対し実施形態によれば、時間差Ｔｄを設定することで自他のエコーや直接波を明確に区別することができ、従って、干渉波の影響を排除することの可能なレーダ装置および信号処理方法を提供することが可能となる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、メインパルスとサブパルスとを、互いに異なる周波数で送信することで識別するようにした。しかし、要するにメインパルスとサブパルスとの相関を小さくできれば、同じ周波数を共用することができる。例えば異なる変調方式を用いたり、異なるチャープ方式を適用したりすることで、パルス同士の相関を少なくすることができる。

図７は、第２の実施形態に係わるレーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。図７において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図７において、送信部２０１、およびサブパルス検出部２０５は、それぞれ複数の変調方式を処理する機能（処理モジュール）を備える。すなわち、変調方式０系、変調方式１系、…、変調方式Ｎ系の、Ｎ＋１個の処理モジュールを、送信部２０１、およびサブパルス検出部２０５のそれぞれが備える。実施形態ではＮ≧１とし、つまり少なくとも２種類の変調方式を用いる。ここで、受信部２０４としては１つの系統を設けるだけでよく、従って周波数のさらなる有効利用とともに構成の簡素化を促すことができる。

送信部２０１は、それぞれの変調方式のパルスを時分割で送信する。目標を検出するための、パルス圧縮、ＭＴＩ（Moving Target Indicator）、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Ratio）等の信号処理は、レーダ信号処理部１０７を主体として各変調方式ごとに実施される。

同じ周波数で２種類の変調方式を用いる場合、単純には、例えばアップチャープとダウンチャープとでメインパルス、サブパルスを区別することができる。例えばメインパルスをアップチャープで変調、送信するならばサブパルスをダウンチャープで変調、送信する。逆に、メインパルスをダウンチャープで変調、送信するならばサブパルスをアップチャープで変調、送信する。

このように、ｆ１系の送信諸元、特に変調方式をｆ０系と相関の低いものとすることで、必ずしも複数の受信系を有する必要が無くなる。特に、サブパルスの変調方式として既存レーダと相関の少ない方式を適用し、メインパルスに既存レーダと共通の変調方式を適用することが考えられる。このようにしても、受信エコーが自らの送信パルスに依るものか、そうでないかを識別することができる。

例えば、アップチャープとダウンチャープをサブパルスとして送信し、同じ受信系でアップチャープによるパルス圧縮とダウンチャープによるパルス圧縮を施すことで、第１の実施形態で説明したのと同様に、パルスのペアリングを行うことができる。従って第２の実施形態によっても、干渉波の影響を排除することの可能なレーダ装置および信号処理方法を提供することが可能となる。

なお、この発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば時間差Ｔｄを固定地ではなく、メインパルスの送信ごとに変化させるようにしても良い。送信ごとの時間差Ｔｄの値を記憶部１０８に記憶し、受信時に読み出して利用することで、上記の説明と同様の処理を行うことができる。

あるいは、メインパルスの送信ごとに、サブパルスの諸元を変化させるようにしてもよい。
また、チャープの傾斜により相関を無くすだけでなく、例えばＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）通信に代表される符号変調方式を適用して、パルスに独立性を持たせることもできる。つまり第２の実施形態において、変調方式ごとに一意に変調符号を適用することで、互いに他の処理系とは相関性の低い、複数の処理系を多数設けることが可能になる。このようにすることで、周波数帯域の共用の度合いをさらに高めることが可能になる。

このほか、時間軸上でサブパルスを規則的に（あるいは不規則に）間引く方式を適用しても良い。さらに、周波数による識別、変調方式による識別と、時間軸上での間引き手法を組み合わせる方法も考えられる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…レーダ装置、１０１…送信部、１０２…サーキュレータ、１０３…アンテナ、１０４…受信部、１０５…サブパルス検出部、１０６…干渉抑圧部、１０７…レーダ信号処理部、１０８…記憶部、１０９…表示部、２０１…送信部、２０４…受信部、２０５…サブパルス検出部。

Claims (13)

1. 第１の諸元のメインパルスと第２の諸元のサブパルスとを既定の時間差で送信する送信部と、
   到来波を受信する受信部と、
   前記到来波に含まれる複数の受信パルスから前記サブパルスを検出するサブパルス検出部と、
   前記検出されたサブパルスに基づいて前記メインパルスに由来するエコーを識別し、当該メインパルスに由来するエコー以外の成分を抑圧する抑圧部と、
   前記識別されたエコーを処理してレーダ画像信号を生成する信号処理部とを具備する、レーダ装置。
2. 前記抑圧部は、前記第２の諸元の受信パルスに前記時間差で先行する前記第１の諸元の受信パルスを、前記メインパルスに由来するエコーとして識別する、請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記レーダ画像信号を視覚化して目標画像を表示する表示部をさらに具備する、請求項１に記載のレーダ装置。
4. 前記送信部は、前記メインパルスの送信ごとに前記時間差を変化させる、請求項１に記載のレーダ装置。
5. 前記送信部は、前記メインパルスの送信ごとに前記第２の諸元を変化させる、請求項１に記載のレーダ装置。
6. 前記送信部は、前記メインパルスを第１の周波数で送信し、前記サブパルスを第２の周波数で送信する、請求項１に記載のレーダ装置。
7. 前記送信部は、前記メインパルスを第１の変調方式で送信し、前記サブパルスを第２の変調方式で送信する、請求項１に記載のレーダ装置。
8. 前記第１の変調方式は、第１の変調符号を用いた符号変調方式であり、前記第２の変調方式は、前記第１の変調符号とは異なる第２の変調符号を用いた符号変調方式である、請求項７に記載のレーダ装置。
9. 前記送信部は、前記メインパルスをアップチャープで送信し、前記サブパルスをダウンチャープで送信する、請求項１に記載のレーダ装置。
10. 前記送信部は、前記メインパルスをダウンチャープで送信し、前記サブパルスをアップチャープで送信する、請求項１に記載のレーダ装置。
11. 前記送信部は、前記メインパルスおよび前記サブパルスを共通の周波数帯で送信する、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のレーダ装置。
12. レーダ装置が、第１の諸元のメインパルスと第２の諸元のサブパルスとを既定の時間差で送信する過程と、
    前記レーダ装置が、到来波を受信する過程と、
    前記レーダ装置が、前記到来波に含まれる複数の受信パルスから前記サブパルスを検出する過程と、
    前記レーダ装置が、前記検出されたサブパルスに基づいて前記メインパルスに由来するエコーを識別し、当該メインパルスに由来するエコー以外の成分を抑圧する過程部と、
    前記レーダ装置が、前記識別されたエコーを処理してレーダ画像信号を生成する過程とを具備する、信号処理方法。
13. 前記レーダ装置は、前記第２の諸元の受信パルスに前記時間差で先行する前記第１の諸元の受信パルスを、前記メインパルスに由来するエコーとして識別する、請求項１２記載の信号処理方法。